Исследование износостойкости и нагрузочной способности резин для шкивов грузоподъемного оборудования

Введение. Полимеры занимают одно из ведущих мест среди конструкционных материалов в машиностроении. Целесообразность их применения определяется улучшением массогабаритных характеристик, повышением долговечности, надежности и др. Область применения полимеров в наземных конструкциях аэрокосмической отрасли довольно широка: детали механических передач (зубчатые и червячные колеса, шкивы, подшипники скольжения и качения), направляющие, уплотнения, износостойкие и защитные покрытия и т. п. В частности, для повышения безопасности и надежности транспортировочных операций объектов аэрокосмического назначения применяются ее полимерные тросы и шкивы с резиновым покрытием с целью увеличения коэффициента трения и снижения динамических нагрузок. В данном случае c резиной контактировал трос из высокомодульного полиэтилена (HMPE), состоящий из 12x12 прядей. Диаметр шкива был равен 1,9 м.

Целью данной работы являлся выбор из 5 составов резин лучшего состава по критериям наибольшего коэффициента трения (тяговая способность), высокой износостойкости (долговечность по износу), нагрузочной способности (отсутствие катастрофического износа резины) и долговечности поверхностного слоя резины (отсутствие усталостных трещин за весь срок службы). Исследовались 4 резины российских производителей марок РМ, Л2-18, Л2-26, 1068 и одна норвежская резина марки 73979 [1].

Стенд для исследований и методика испытаний. Исследование износа и коэффициента трения резин проводилось на стенде возвратно-поступательного трения [1-4] . Схема стенда и общий вид узла трения приведены на рис. 1 и 2 .

Конструкция стенда включает следующие основные узлы: кривошипно-шатунную группу и систему нагружения образцов. Привод стенда состоит из электрического двигателя 1 , червячного редуктора 3 и двух упругих втулочно-пальцевых муфт 2 , 4 . Кривошипно-ползунная группа включает эксцентрик 5 с подшипником качения, раму 6 , движущуюся в направляющих 7 , и ползун 9 на направляющих качения. На ползуне 9 неподвижно установлен держатель 10 для нижних образцов. Система нагружения состоит из рычага 14 с подвеской для грузов 15 , клиновидного плунжера 13 и оправки 12 с установленным в ней держателем 11 для верхнего образца. Для испытаний в жидкой среде устанавливается ванна 16 .

В процессе испытаний возможна замена эксцентрика 5 , размер которого ограничен только внутренним диаметром подшипника. Это позволяет изменять скорость возвратно-поступательного движения образцов от 0,02 до 0,5 м/с. В зависимости от веса грузов и размеров образцов изменяется давление на поверхности трения. При максимальном весе груза давление может достигать 20 МПа. Измерение коэффициента трения проводилось посредством тензобалки 8 с тензодатчиками.

Пластинки из резины закреплялись в верхнем держателе 11 . В держатель 10 помещался нижний образец . Он представлял собой пластину из стали с натянутыми на ней волокнами троса . Волокна смачивались водой с морской солью . Скорость скольжения - 0,08 м / с . Исследовался диапазон давлений от 1,5 до 10 МПа . Перед испытаниями каждого вида резины и при каждом удельном давлении нижний образец с волокнами троса заменялся на новый . Каждое испытание повторялось три раза .

Рис. 1. Схема стенда для испытаний на трение и изнашивание

Рис. 2. Общий вид узла трения

В результате испытаний определялась интенсивность изнашивания [5-7] . Величина интенсивности изнашивания после испытаний на износ может быть рассчитана по формуле

I = А h/L_s ,                     (1)

где A h - износ резины , мм ; L_s - путь трения , мм .

Путь трения рассчитывался по формуле

L_s = 10 ³ • V s • t s ,                         (2)

где V_s - скорость скольжения на стенде , V_s = 0 , 08 м / с ; t_s - продолжительность испытаний , с .

Износ резины определялся методом искусственных баз . При этом на поверхность резины на специальном устройстве нарезалась лунка радиусом R и шириной 0 , 1 мм . Длина лунки до испытаний на трение и после них измерялась на координатном столике под микроскопом с 16-кратным увеличением с точностью 0,01 мм .

При этом методе величина износа резины в результате трения может быть рассчитана по формуле

A h = ( l ^ - l ₂ ² ) /8 R ,                   (3)

где l 1 и l ₂ - длина лунки до и после трения , мм ; R - радиус резца , которым сделана лунка , мм.

Результаты экспериментальных исследований.

Точность определения износа при этом методе составляет 0,005 мм . Результаты испытаний в виде зависимости средних значений интенсивности изнашивания от удельного давления на поверхности трения резины по результатам трех испытаний приведены на рис . 3 .

Для проведения дальнейших расчетов на стенде были получены также коэффициенты трения движения для всех резин (рис. 4). Осмотр поверхностей резины после изнашивания и наблюдение за ходом экспериментов показали , что в данном случае происходит усталостное изнашивание резины . При усталостном изнашивании происходит постепенное отделение многократного деформирования микрообъемов материала . Из теории трения и изнашивания известно , что интенсивность изнашивания при усталостном характере износа зависит от многих факторов [6]:

I = K 1 •«• p ^{( 0,4} t ^{+ 1 )} • E ^{( 0,8} t ^{- 1 )} • А ^0,4 t • ( K ₂ • ц/с ₀ ) t , (4)

где K 1 - коэффициент , зависящий от геометрической конфигурации микронеровностей трущихся поверхностей ; а - коэффициент перекрытия , определяемый как отношение поверхности трения резины к поверхности трения троса , а = 0,144 ; p - удельное давление на поверхности трения ; E - модуль упругости ;

\ - комплексная характеристика шероховатости трущихся поверхностей ; K ₂ - коэффициент , характеризующий напряженное состояние на контакте , для высокоэластичных материалов, K ₂ = 2,5-3,5 ; р - коэффициент трения ; о₀ , t - значение параметра фрикционно-контактной усталости при трении в эмпирической кривой усталости Веллера:

^N ~ ( ^ 0 Л) t ^{, (5)}

где о , о₀ - действующее и разрушающее напряжение при однократном растяжении .

Непосредственные расчеты по формуле (4) затруднены , так как требуют целого ряда сложных физических экспериментов по определению K_b K ₂ , t , о₀ . Их величины связаны с адгезионными и другими физико-механическими свойствами материала [8-13] . Однако формула (4) дает возможность проанализировать влияние таких факторов, как удельное давление , модуль упругости резины , коэффициент трения и прочность резины на интенсивность изнашивания .

Анализ формулы (4) показывает , что при усталостном характере износа следует ожидать следующего влияния управляемых факторов :

• 1.    При увеличении коэффициента трения интенсивность изнашивания резко увеличивается:

• 2.    При увеличении модуля упругости резины интенсивность изнашивания увеличивается:

• 3.    Увеличение удельного давления на поверхности резины приводит к увеличению ее интенсивности изнашивания:

• 4.    Увеличение прочностных характеристик резины приводит к снижению интенсивности изнашивания:

I ~ ( ц ) t . (6)

Это связано с увеличением температуры в зоне трения. В данном случае показатель фрикционной усталости может быть определен из экспериментов для одной резины при различных удельных давлениях. Он составляет для исследованных резин t = 7-8.

I ~ E ^{( 0},⁸ t ^{1 )}

I ~ p ^{( 0},4 t ^{+ 1 )} .

I ~ ( 1 ^ ) t . (9)

Кроме перечисленных факторов следует также учитывать , что при определенных удельных давлениях установившийся процесс изнашивания может резко интенсифицироваться и перейти в катастрофический процесс изнашивания . При катастрофическом процессе изнашивания микроотделение частиц заменяется образованием макродефектов и отделением макрочастиц . Это связано с резким увеличением температуры в зоне трения при определенных давлениях . Удельное давление , при котором это происходит , называют критическим . Эксплуатация узла трения при давлениях выше критического не рекомендуется .

Коэффициенты трения движения , интенсивностей изнашивания и предельных контактных давлений представлены в таблице.

Y1

Y3

I

• 10

Y4 1 -е—

Y5

Y2 1

Рис. 3. Зависимости интенсивности изнашивания резин от давления:

Y1 - норвежская 73975 ; Y2 - резина РМ ; Y3 - резина Л2-18 ; Y4 - резина Л2-26 ; Y5 - резина1068

Y1

Y2

Y3

Y4

Y5

Рис. 4. Зависимости коэффициентов трения движения от давления: Y1 - норвежская 73975 ; Y2 - резина РМ ; Y3 - резина Л2-18 ; Y4 - резина Л2-26 ; Y5 - резина1068

Результаты исследований коэффициентов трения и интенсивности изнашивания резин

Резина	Коэффициент трения, р		Интенсивность изнашивания, I		Предельное давление Р пред , МПа
	р = 2,5 МПа	р = 4,4 МПа	р = 2,5 МПа	р = 4,4 МПа
73975	0,31	0,25	7,8^10-7	2,4 •Ю-5	3,9
РМ	0,39	0,31	3,5^ 10-6	9,9 •Ю-4	2,8
Л2-18	0,28	0,22	4,3^ 10-7	7,8^10-4	4,5
Л2-26	0,24	0,19	0,48^ 10-7	1,4^ 10-7	10,2
1068	0,27	0,23	2,3^ 10-7	1,3^ 10-6	5,9

Анализ результатов, представленных на рис . 3 и в таблице, показывает , что полученные зависимости интенсивности изнашивания от удельного давления в целом соответствуют вышеприведенным закономерностям :

• 1)    резины, имеющие высокий коэффициент трения, изнашивались быстрее;

• 2)    увеличение удельного давления приводит к увеличению интенсивности изнашивания;

• 3)    при определенном давлении установившийся режим изнашивания (линейная зависимость) переходит в катастрофический .

Величина критического давления для исследованных резин приведена в таблице, где за критические давления условно были приняты давления, при которых интенсивность изнашивания достигала 10^-5. По нашим наблюдениям это соответствовало началу отделения макрочастиц резины. Следует отметить , что испытания на износ в данном случае проводились в более сложных условиях , чем резина работает на реальном объекте .

Это связано со следующими особенностями стенда :

• 1.    Исследовалось возвратно-поступательное движение . Это более тяжелый температурный режим для

• 2.    Продукты износа не удаляются из зоны трения. На реальном объекте они удаляются . Присутствие продуктов износа ускоряет процесс изнашивания и наступление катастрофического режима изнашивания.

• 3.    Скорость скольжения составляла 0,08 м / с , что примерно на порядок выше , чем на реальном объекте . Это тоже ускоряло процесс изнашивания и наступление катастрофического режима изнашивания из-за более жесткого температурного режима в зоне трения.

• 4.    Так как модули упругости и показатели прочности исследованных резин были примерно одинаковы (кроме резины заказчика) , то их влияние на интенсивность изнашивания не выявлено . Хотя резина заказчика и имела более высокие прочностные характеристики , однако из-за высокого коэффициента трения она имела большую интенсивность изнашивания и низкое предельное давление .

• 5.    Критические давления для резин с высокими коэффициентами трения очень низкие . Наиболее высокой износостойкостью и высоким предельным давлением обладали резины с низким коэффициентом трения Л2-26 и 1068 .

резины , чем при поступательном движении . На реальном объекте наблюдается поступательное движение.

Все указанные особенности идут в коэффициент запаса по износостойкости при численном использовании результатов испытаний , представленных на рис . 3. Толщина слоя резины может быть определена по данным на рис . 3 следующим образом:

h _min = 10 ³ ■ I_p ■ L p , (10) где h _mn - минимальная толщина слоя резины , мм ; I_p - интенсивность изнашивания при заданном давлении ; L_p - путь трения (ресурс) для данного режима работы , м .

Так, например, для давления р = 2,5 МПа для резины 73975 минимальная толщина слоя резины при пути трения 12500 м составит hmin = 103 ■ 7,8■Ю 7 ^1250 = 9,75 ее.

При этом коэффициент запаса , учитывающий наличие возвратно-поступательного движения , продуктов износа в зоне трения и увеличение скорости скольжения, на стенде составит 1,3-1,5 .

Использование метода конечных элементов. Использование метода конечных элементов (МКЭ) [14-16] позволило создать конечно-элементную модель контакта троса с поверхностью резинового слоя на шкиве. На основании анализа этой модели изучены долговечность слоев различных резин с точки зрения образования усталостных трещин и их долговечность по изнашиванию. На рис. 5 в качестве примера приведено поле температур саморазогрева резины Л2-26 при толщине ее слоя 12 мм, а на рис. 6 - поле долговечности этой резины.

Созданные конечно-элементные модели с использованием программы STAR контакта троса с резиной при заходе троса на шкив на внешнем (рис. 7) и внутреннем краях шкива и сходе с него позволяют при наличии экспериментальных данных по коэффициентам трения (см. рис. 4) и интенсивностям изнашивания (см. рис. 3) оценивать износ резины через сдвиговые деформации слоев и рассчитать долговечность резинового покрытия шкива для всех резин с точки зрения износостойкости. Установлено также, что скольжения троса относительно всех резин нет . По всему шкиву наблюдается трение покоя . Однако в момент входа троса в контакт со шкивом и выхода из него будет относительное смещение (частичное проскальзывание резины и троса) . Будет также скольжение в поперечном направлении . Все это и вызовет износ резины .

Рис. 5. Поля температур саморазогрева при толщине слоя резины Л2-26 12 и 26 мм

Рис. 6. Поля долговечности при толщине слоя резины Л2-26 12 и 26 мм

Рис. 7. МКЭ-модель изнашивания на внешнем краю шкива

Заключение. Таким образом, экспериментально -теоретическое исследование износостойкости и нагрузочной способности различных резиновых покрытий на шкивах позволило рекомендовать для наиболее нагруженных шкивов грузоподъемного и транспортного оборудования аэрокосмической промышленности при давлении на поверхности резины 4-9 МПа резину Л2-26, хотя она и имеет не самый высокий коэффициент трения (ниже 0,3). Для менее нагруженных шкивов при давлении на поверхности резины 2,5-4 МПа можно использовать резину 1068 , которая обеспечит работоспособность с заданным ресурсом по пути трения и при этом даст большую тяговую способность , чем резина Л2-26 , благодаря более высокому коэффициенту трения . Резину 73975 можно использовать только для малонагруженных шкивов при давлениях менее 2,5 МПа .

Для обеспечения безопасности в начале эксплуатации новых шкивов с резиной следует или эксплуатировать узел при неполном нагружении, или провести специальную приработку перед началом эксплуатации . При этом напряжения по ширине площадки контакта выравниваются и достигнут примерно средних значений .